第2章：生态学基础

1、 第2章 生态学基础n环境科学是综合性的科学，生态学则是其理论基础之一。第一，由生态学本身的定义所界定的，生态学就是研究生物与其外界环境之间的相互关系的科学；第二，当前环境科学中遇到的一系列问题(人口、资源、能源、粮食、环境污染)的解决都离不开生态学的基本原理。 n人类社会所面临的许多环境问题就其本质而言都是生态问题。生态学在促进环境问题研究方法的发展方面起着关键的作用。实际上环境危机、生态危机、人口爆炸等问题都是生态学工作者首先觉察出来的。n 环境科学与生态学的区别： 生态学研究的中心事物是所有的生物，而环境科学研究的中心事物是人，而非一般的生物。人也是生物，环境科学就是研究以人为中心事物的

2、生态学。环境科学就是以人类与环境这对矛盾为对象，研究其对立统一关系的发生和发展、调节和控制以及利用和改造的科学。第一节生态学及其研究内容、分支学科 一、生态学的定义 是研究生命系统与外界环境系统之间的相互关系及其机理的科学。 这里所说的生命系统包括动物、植物、微生物本身及其之间的相互关系; 外界环境系统可分为生物环境与非生物环境。 生态学是一门发源于生物学而又越来越独立于生物学的研究生物、环境及人类社会相互关系的科学，是一门研究个体与整体关系的系统科学。二、生态学的研究内容1.以自然生态系统为对象:探索环境对生物的作用，生物对环境的反作用及其相互关系的规律。2.以人工生态系统或半自然生态系统为

3、对象:研究不同区域系统的组成、结构、功能。 当前研究的主要内容中纯粹自然生态系统已很少，大多为受干扰的(disturbed)生态系统。3.以社会生态系统为对象:生态学与社会经济的结合，如人口与社会经济发展的关系等。n 生态学有许多分支学科。这些学科及其相互关系可以用图2-2来表示，每一个分支学科都与现代环境科学的学科密切相关： n生态研究的范畴包括:n生态学主要涉及种群、群落、生态系统和生物圈，或包括个体生态。 (1)个体生态学(ecology of individuals):以生物个体为研究对象，探讨生物与环境之间的关系，特别是生物体对环境的适应性。它可以通过控制条件下的实验研究，检验生物体

4、对各种环境因子的要求、耐受和适应范围。个体生态学是生理学和生态学交叉的边缘学科，在现代生态学中仍占有重要的位置。 (2)种群生态学(ecology of population):研究栖息于同一地区同一生物个体的集合体所具有的特征，包括种群的年龄组成、性比例、数量变动与调节等及其与环境因子的关系，研究种群生态学对合理利用生物资源和防治有害生物(如生物入侵)具有特别重要的意义。(3)群落生态学(community ecology): 研究栖息于同一地域中所有种群集合体的组合特点、它们之间及其与环境之间的相互关系、群落的形成与发展等等。 (4)生态系统生态学(ecosystem ecology):

5、生态系统是生物群落与其栖息环境相互作用所构成的自然整体。 生态系统包括生产者、消费者和分解者以及它们周围的非生物环境，是生态学研究的基本单位。 生态系统生态学主要研究系统内能量流动、物质循环和信息传递及其稳态调节机制，这是现代生态学研究的主流。（5）生物圈(biosphere): 现代生态学的研究对象越来越大甚至包括整个生物圈。生物圈是地球上最大的、接近自我维持的生态系统，是地球上全部生物及与之发生相互作用的物理环境的总和。其范围大体上包括大气圈的下层、岩石圈的上层以及整个水圈和土圈。地球上所有的生命都在这个“薄层”里生活，故称生物圈。n 随着全球性环境问题日益受到重视，如全球性气候变化、酸雨

6、、臭氧层破坏、荒漠化、生物多样性减少，全球生态学已应运而生，并己经成为民众普遍关注的领域。n 近年来迅猛发展的分子生态学(molecular ecology) ，量子生态学等新兴的学科，在微观世界进行宏观的探索。 n 生态学在研究生物与自然环境相互作用时，还必须依靠生物以外的其他自然科学，诸如气象学、气候学海洋学、土壤学等等。生态学的一些原理已经深人到许多自然科学学科之中，并被广泛地接受。学科间的相互渗透，发展边缘学科，建立学科间的综合性研究，是现代科学发展的特点，也是生态学发展的特点。第二节 生态系统及其组成一、生态系统的概念 是在一定的空间内，生物群落与其环境之间通过不断地物质循环和能量流

7、动而相互作用，相互制约，不断演化，达到动态平衡，形成相对稳定的统一整体，是具有一定结构和功能的单位。n 一个生物物种在一定范围内所有个体的总和在生态系统中称为种群；在一定的自然区域中许多不同种的生物的总和称为群落，在任何情况下，群落都不是孤立存在的，总是和环境密切相关，相互作用。n 生态系统是一个很广的概念，任何生物群体与其环境组成的自然体都可视为一个生态系统，如，大至整个海洋，整块的大陆，小至一片森林，一块草地、一个小池塘，甚至家里养着水草的金鱼缸等都可以看成是生态系统。n 一个复杂的、大的生态系统中又包含无数小的生态系统，各种形形色色、丰富多采的生态系统成为生物圈，因此，整个生物圈便是一个

8、最大的生态系统。因此，整个生物圈便是一个最大的生态系统。二、生态系统的组成 地球上任何一个生态系统都是由生产者、消费者、分解者和无机环境四部分组成。其中生产者、消费者、分解者是有生命部分，无机环境是非生命部分，在生态系统中，生产者、消费者、分解者的作用是不同的。（一）生产者；主要是绿色植物和某些能进行光合作用或化能合成作用的细菌，它们能利用太阳能或化学能把无机物转化为有机物，把太阳能转化为化学能，不仅供自身生长发育的需要，而且也养活着生态系统的其他生物。因此，也称为自养生物。 绿色植物通过光合作用把CO2、H2O 和无机盐类转化成有机物质，把太阳能以化学能的形式固定在有机物中，这些有机物是生态

9、系统其他生物维持生命活动的食物来源。因此，绿色植物是整个生态系统的物质生产者。n此外，光能合成细菌和化能合成细菌也能把无机物合成为有机物。如硝化细菌能将NH3 氧化为HNO2 和HNO3，并利用氧化过程中释放的能量，把CO2、H2O 合成为有机物。（二）消费者： 直接或间接以生产者为食的生物称为消费者，它们不能直接利用无机物来养活自己，只能靠吃其他生物来生活。这类生物也称异养生物。 所有动物都是消费者，根据它们食性的不同可以分为三类：n初级消费者或第一性消费者-草食动物，如蚜虫、蚂蚱、兔子、牛等；n第二级消费者-初级消费者为食的生物（如以胡罗卜为食的野兔是初级消费者，而以野兔为食的狐狸则是第二

10、消费者），n接下去可以有第三消费者，第四消费者，甚至更高级的消费者。n某些动物可以是多级消费者-人n寄生生物 长期地以“捕获物”为食，通常不会杀死“捕获物”（至少不会立即杀死），但常会伤害它。 生活在它们寄主的体内，这种生物称为内寄生物，另外还有依附在它们寄主的体外，称为外寄生生物如：虱。n碎屑生物： 死的植物性物质，死的动物性物质以及粪便废弃物构成大量有机物，称为碎屑。 以碎屑为食物的生物被划为单独的一类消费者，称为食碎屑生物。n如：秃鹫（一种大型猛兽）、蚯蚓、白蚁、甲虫等 （三） 分解者： 指各种具有分解能力的微生物，也属异养生物。 它们的任务和生产者正好相反,生产者把无机物变成有机物，分

11、解者把复杂的有机物包括动植物的尸体和排泄物，分解成简单的无机物，还给无机环境，再重新供生产者利用。故，又叫做还原者。 分解者主要包括细菌和真菌及微型动物（如蚯蚓、鞭毛虫）等。（四）无生命物质也称为非生物成分 是生态系统中生物赖以生存的物质和能量的源泉及活动场所。非生物成分可分为： 原料部分，主要是阳光、O2、CO2、H2O、无机盐及非生命的有机物； 媒质部分，指水、土壤、空气等； 基质，指岩石、砂、泥。n生态系统一般都含有生产者、消费者、分解者、无生命物质这四个组成部分，其中，非生物部分和生物部分中的生产者和分解者是必不可少的。n 生态系统中的物质循环和能量流动都是通过这四部分来实现的。三、生

12、态系统的基本结构1.形态结构 生态系统的生物种类、种群数量、种的空间位置、种的时间变化等构成了生态系统的形态结构。2.营养结构 生态系统的各组成部分之间建立起来的营养关系，构成了营养结构。四、生态系统的基本特征1.具有空间性 具有水平结构、层次结构、多维结构。2.具有发育、繁殖、生长和衰亡等生物有机体的特性 可分为初期、成长期和成熟期，具有时间特征，表现为演替和进化。3.具有生物代谢机能 其代谢通过生产者、消费者和分解者三个不同营养水平的生物类群来完成。这三个生物类群既是生态系统的基本组成成分，也是系统组成物质循环的基本结构。4.具有生物机体自动调节的功能 第三节 生态系统中的物质能量循环一、

13、能量循环 地球上所有生态系统的能量都来源于太阳。地球上所有生态系统的能量都来源于太阳。 生态系统中的所有生物，除了少数几种化学合成细菌外，其生存所需能量都是由太阳供应的。 生态系统的能量流动是通过食物链（或食物网）实现的。 食物链是初级生产者利用光能所制造的有机物供给各消费者，从而在生物之间形成的以食物营养为中心的连锁关系。 食物链中的每一个环节或食物链中各生物的位置，称为营养级。二、物质循环 生物体原生质中97%以上是由 氧、氢、碳、氮、磷组成，还有硫、钙、镁、钾等。 生态系统中的主要物质循环有： 水循环、氮循环、碳循环、氧循环、硫循环、磷循环1 1、水循环 水是地球上分布最广的物质之一。大

14、气圈、水圈、岩石圈和生物圈处处都有水的踪迹。水也是地球上最古老的物质之一。 现在的地球，其70的表面为水所覆盖。全球水的大循环过程： 在阳光照射下，地面的水开始蒸发，水分进入大气并逐渐聚集为云层。云层冷却到一定程度即出现降水（包括降雨和降雪）。水分又回到地面并开始了新的循环。如此周而复始，构成了全球水的大循环。 生态系统的水循环只是全球水循环的一小部分，但是由于它和人类的紧密联系而显得更为重要。 人类的活动深刻地改变了生态系统的水循环。人类的活动深刻地改变了生态系统的水循环。同时它也对人类的生活造成了极大的影响。 生态系统的水循环简言之就是降水与地表蒸发作用的往复运动。 当大气中的水分以降水的

15、形式落到地面后，一部分渗入地下，一部分成为地表径流，还有一部分为地表植被所截取。在降水不多的地区，植物截取的水分有时非常可观。例如，在温带地区，被截取的降水可达总降水量的25。2 2、氮循环 氮在地球大气圈、岩石圈和生物圈都有广泛的分布。 在大气中氮的储量最为丰富。在地壳中的氮也是常见元素之一。生物圈中的氮总量最少，但是它对生命体却有着决定性的作用。无论是生命必须的蛋白质还是核酸，处处都离不开氮的存在。 大气中的氮以分子形式存在，占大气总量的78。但是氮分子在化学性质上具惰性，只有大气中偶尔的闪电可以分解少量氮分子成为氮的化合物。这部分氮化合物随降水进入土壤和海洋。 陆地上也有少量植物可以直接

16、吸收氮分子。 此外，还有极少量的氮分子溶解于海洋中。但总的来说，大气中参与氮循环的氮是很少的。 岩石和矿物中的氮被风化后进入土壤，一部分被生物体吸收，一部分被地表径流带入海洋。海洋接纳了来自土壤和大气的氮，其中的一部分被生物体吸收。生物体死后，生物体内的氮一部分以挥发性氮化合物的形式进入大气，一部分又返回土壤，还有一部分以沉积物的形式沉积在大洋深处。 氮是构成生命的主要元素。氮是构成生命的主要元素。 植物的生长更缺少不了氮的补充。但是由于地表径流的溶解和搬运作用，土壤中的氮往往消耗极大而补充很少。而大多数植物又不能直接吸收大气中的氮。自然条件下，很多植被丰茂的地区都面临着氮的缺乏。 现代化肥的

17、使用，带来了全世界范围内农作物产量的大幅度增长，因而被称之为“绿色革命”。3 3、碳循环 碳是地球上储量最丰富的元素之一。 它广泛地分布于大气、海洋、地壳沉积岩和生物体中，并随地球的运动循环不止。 同时碳又是有机化合物的基本成分，是构成生命体的基本元素。碳循环还与生命活动紧密相联。亿万年来，在地球的生物圈和大气圈中，碳通过生命的新陈代谢，往复循环、生生不息。 自然界中绝大多数的碳并非储存于生物体内，而是储存于大量的地壳沉积岩中。一方面沉积岩中的碳因自然和人为的各种化学作用分解后进入大气和海洋；另一方面生物体死亡以及其他各种含碳物质又不停地以沉积物的形式返回地壳中，由此构成了全球碳循环的一部分。

18、 如图所示： 沉积物含有两种形式的碳：干酪根和碳酸盐。 在风化过程中： 干酪根与氧反应产生二氧化碳； 碳酸盐的风化作用却很复杂： 含在白云石和方解石矿物中的碳酸镁和碳酸钙受到地下水的侵蚀，产生出溶解的钙离子、镁离子和重碳酸根离子。它们由地下水最终带入海洋。在海洋中，浮游生物和珊瑚之类的海生生物摄取钙离子和重碳酸根离子来构成碳酸钙的骨骼和贝壳。这些生物死了之后，碳酸钙就沉积在海底而最终被埋藏起来。n自然界自发进行的碳循环，在很长的时期内始终处于一种均衡的状态，使地球的环境基本保持不变。n人类的行为却在很短的时间内打破了这种平衡。尤其是近二百年来，人类对煤、石油和天然气等含碳能源的大量开采利用，致

19、使更多的二氧化碳被排入大气。n本世纪以来，大气测量的众多数据表明，大气中二氧本世纪以来，大气测量的众多数据表明，大气中二氧化碳浓度正在呈指数上升。化碳浓度正在呈指数上升。n虽然许多科学家认为几乎所有工业产生的二氧化碳会被海洋吸收，但实际上海洋对二氧化碳的可能吸收率比人们曾经认为的要低得多。n因此，煤、石油和天然气等燃烧释放的大量二氧化碳，很可能将在大气中滞留相当长的时n间，这也许会对世界气候产生深远的影响。n斯克里普斯海洋学研究所的Charles David Keeling 在夏威夷的莫纳罗亚(MaunaLoa）山顶设置了高精度的气体分析器对二氧化碳进行了连续测量。经过二十年的观测，结果表明二

20、氧化碳浓度有一个年周期，这一周期反映了绿色植物的季节变化。在生长季节由于光合作用，大气中的二氧化碳有减少的趋向；在非生长季节由于植物组织的氧化作用，二氧化碳又返回到空气中。 大气中的二氧化碳被植物吸收后,通过光合作用转变成有机物质,然后通过生物呼吸作用和细菌分解作用又从有机物质转换为二氧化碳而进入大气。n二氧化碳能吸收地表的红外辐射，是一种典型的温室二氧化碳能吸收地表的红外辐射，是一种典型的温室气体。气体。n科学家们提供的种种研究都说明，二氧化碳正在逐渐地改变着全球气候，无论是对全球气温还是对大气降水，这种效应正愈益明显。因此，很自然地就会影响到人类社会，其后果可能是复杂的，甚至是极其严重的。

21、 4 4、氧循环 氧的地球化学循环涉及的环节非常复杂，包括了大气圈、生物圈、岩石圈，甚至整个地球的方方面面，是目前研究较多的领域之一。 研究领域： 大气圈臭氧层的变化过程研究。 目前氧循环的研究主要通过分析氧同位素的构成，分馏机理等特征来探求氧的分异、固定、流动和混合的过程。n至今科学家们还没有建立起氧循环系统的完整结构。 5 5、硫循环 自然界的硫最初来自于黄铁矿（自然界的硫最初来自于黄铁矿（FeS2FeS2）和黄铜矿）和黄铜矿(CuFeS2)(CuFeS2)等含硫的矿物。等含硫的矿物。 这些矿物被风化剥蚀后，硫就进入了土壤。土壤中的硫一部分被地表径流溶解进入海洋，一部分被氧化以挥发性气体的

22、形式进入大气，还有一部分被植物吸收，通过食物链的关系分布于生物圈。 进入海洋的硫： 一部分以沉积的方式，亿万年之后成为煤或石油中的硫，一部分进入生物体被吸收。 进入生物体中的硫： 在生物体死亡腐败过程中，一部分以H2S 的方式进入大气，其余的重又回到土壤，使循环得以继续。 大气中的硫： 以降水的形式落到海洋、土壤中，又开始了它们的下一轮次的循环。 第四节 森林生态系统一、森林生态系统在生物圈中的作用1、森林是地球之肺2、森林是自然界物质能量交换的重要枢纽3、森林是人类食物和木材的重要来源4、森林在环境保护中有重要的作用二、森林在环境保护中有重要的作用1、水土保持2、防风固沙3、美化环境和保护野

23、生生物4、污染防治三、热带雨林对地球和人类的重要功能 热带雨林地处热带地区，主要分布在赤道周围的33 个国家，形成一条带子，占地球陆地面积7，是全世界最关注的环境区域。 我国的云南和海南岛有热带雨林，是珍贵的地球财富。热带雨林对地球和人类的重要功能有：1 为地球半数以上的生物物种提供了栖息和生存地，因此是地球上生物多样性最丰富的地区；2 为人类提供了丰富的原料 如：巧克力、坚果、水果、胶类、咖啡、木料、橡胶、天然杀虫药、纤维和燃料；3 是一座天然药库 从医疗手术中使用的麻醉剂，到避孕药丸，再到治疗高血压、白血病、帕金森病、恶性淋巴肉芽肿病、多发性硬化症等难症和绝症的药物，热带植物给人们提供了药

24、效很好的成分，已用于临床。 医学界的科学工作者认为，人类还会在热带植物中发现更多的治疗疑难病症的药物成分；4 可以大量吸收地球大气层中的二氧化碳，因而能够帮助减少地球上的温室效应，具有维护地球气候平衡的功能；5 能大量吸收降雨，储存淡水资源，防止水土流失，防止洪水的发生；6 为地球上近一亿人口提供着生活资源和生存基础。第五节 生物污染与生态破坏一、生物污染当污染环境的某些物质在生物体内累积，其数量超出了生物体内正常含量，并足以对生物的生活产生影响和危害时，就称生物受到了污染。生物体受污染的途径主要有三个方面：生物吸附、生物吸收和生物富集。（1）生物吸附 污染物质通过共价、静电或分子力的作用吸附在生物体表面的现象，称为生物吸附。 如大气中的尘埃、细菌、重金属、农药等能被吸附在植物叶片上；水体中的颗粒物及一些污染物也能被水草、藻类及鱼贝所吸附。 生物吸附作用与生物体表面积有关，表面积越大，其对污染物的吸附量就较多； 吸附量还与生物表面性质和吸附剂的不同而异，表面具有绒毛的植物，表面粗糙有毛，其吸附量较大。 以物理方式吸附在作物表面的农药可因蒸发、风吹或随雨露流失而脱离作物表面。但对脂溶性农药或内吸传导性农药，它们可溶入作物表面的蜡质层或组织内部，而进入植株的汁液中。（2）生物吸收大气、水体和土壤等环境